基于電池組性能測(cè)試系統(tǒng)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)研究

王雪梅

1、引言

計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了控制領(lǐng)域深刻的技術(shù)變革?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)向網(wǎng)絡(luò)化、開放性方向發(fā)展將是控制系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主要潮流。對(duì)于大型的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，由于被控對(duì)象、測(cè)控裝置等設(shè)備的地域分散性，以及控制任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求，基于現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)的控制網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)很好的解決方案?，F(xiàn)場(chǎng)的信息經(jīng)傳感器、現(xiàn)場(chǎng)總線再經(jīng)以太網(wǎng)傳送到遠(yuǎn)程的監(jiān)控終端。同時(shí)，控制信息通過控制網(wǎng)絡(luò)從遠(yuǎn)程監(jiān)控終端送到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)過程的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。[1]

2、電池組性能檢測(cè)系統(tǒng)介紹

電池組性能測(cè)試系統(tǒng)主要功能是完成多只鉛酸動(dòng)力蓄電池串聯(lián)的充、放電試驗(yàn)。系統(tǒng)工作模式分為充電、放電、擱置，其中充電控制方式主要有恒流定時(shí)充電、恒流定容量充電、恒流定終止電壓充電和恒流限壓定時(shí)充電；放電控制方式主要有恒流定時(shí)放電和恒流定終止電壓放電；擱置一般是指定時(shí)擱置。并且可以根據(jù)需要，任意排列三種工作模式、設(shè)定工作參數(shù)，即充放電工藝的編輯和執(zhí)行。實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，本地監(jiān)控時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)界面（觸摸屏）負(fù)責(zé)充放電系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，遠(yuǎn)程上位機(jī)只起到監(jiān)視作用；遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)界面只起到監(jiān)視作用，由遠(yuǎn)程上位機(jī)實(shí)現(xiàn)充放電過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)控制，自動(dòng)控制是指按照工藝文件控制充放電過程；手動(dòng)控制模式下，具有相應(yīng)權(quán)限的用戶可以進(jìn)行手動(dòng)開始終止充電和放電過程。

根據(jù)電池組性能測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)要求，參考了多種方案，對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜程度、測(cè)試精度、可靠性、經(jīng)濟(jì)性等多種因素進(jìn)行了比較，確定了如下方案：

將電池組性能測(cè)試系統(tǒng)分為兩個(gè)獨(dú)立的控制過程，一是充電過程，一是放電過程。充電部分電路用12脈波可控整流方式，由AC10kV電網(wǎng)經(jīng)變壓器變成低壓，再經(jīng)可控整流橋給蓄電池充電，通過調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器和可控整流相位角實(shí)現(xiàn)充電電流的調(diào)節(jié)。

放電部分電路用負(fù)載電阻和斬波電路的能耗放電方式，通過直流接觸器、電阻負(fù)載進(jìn)行能耗放電，用多個(gè)電阻放電支路和斬波放電支路相配合，實(shí)現(xiàn)放電電流調(diào)節(jié)。

從功能角度，電池組性能測(cè)試系統(tǒng)主要分為充電系統(tǒng)、放電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)。充電系統(tǒng)由變壓器、水冷柜、整流柜、控制柜組成，主要完成電池組充電功能；放電系統(tǒng)由斬波柜、開關(guān)柜、電阻負(fù)載組成，主要完成電池組放電功能；監(jiān)控系統(tǒng)由上位機(jī)、監(jiān)控管理軟件、人機(jī)界面及其監(jiān)控軟件、打印機(jī)等組成，主要完成電池組充、放電過程的狀態(tài)監(jiān)視、充放電工藝編輯和下載、指令下達(dá)、數(shù)據(jù)記錄和報(bào)警、用戶權(quán)限管理、分析統(tǒng)計(jì)、報(bào)表打印等功能；檢測(cè)系統(tǒng)由PLC遠(yuǎn)程站和傳感器組成，主要完成電池電壓（70～81只）和溫度、系統(tǒng)工作狀態(tài)的檢測(cè)，并通過DP總線傳送給PLC。

3、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

基于西門子PLC、HMI和DSP控制器，采用RS-485、PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等多種技術(shù)，構(gòu)建全新的多層次工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。本控制網(wǎng)絡(luò)共分為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、本地監(jiān)控層和遠(yuǎn)程監(jiān)控層，如圖1所示。[2]

3.1現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層是指安裝在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能儀表、變送器、繼電器、接觸器等數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備，它完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，并與監(jiān)控層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)的控制邏輯都集中在此層，因此該層應(yīng)具有較高的可靠性、穩(wěn)定性及冗余度?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的形式掛接在總線上，通過西門子ET 200遠(yuǎn)程站模塊和斬波控制器，以PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線和RS485方式與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層通信。

3.2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層

現(xiàn)場(chǎng)控制層是本網(wǎng)絡(luò)的中間層，該層從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，完成各種控制策略、運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)、報(bào)警等功能，另外還包括控制策略的設(shè)計(jì)和下裝，即實(shí)現(xiàn)本地監(jiān)控功能。該層的核心設(shè)備是PLC，共包括主、從兩層結(jié)構(gòu)，PLC通過以太網(wǎng)接口和現(xiàn)場(chǎng)總線、RS485接口與遠(yuǎn)程監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層相連，協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信。

3.3遠(yuǎn)程監(jiān)控層

遠(yuǎn)程監(jiān)控層的主要目的是在以太網(wǎng)環(huán)境下構(gòu)建一個(gè)安全的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該層通過以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控層的PLC主站進(jìn)行通信，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、分析、報(bào)警、歸檔，同時(shí)向PLC主站下達(dá)控制指令和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)過程的遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制。

4、功能設(shè)計(jì)

從圖1中可以看出，本控制網(wǎng)絡(luò)主要包括以下幾個(gè)控制和通信模塊：主站PLC、從站PLC、斬波控制器、人機(jī)界面HMI（TP面板）、上位機(jī)等。

4.1主站PLC

主站PLC是整個(gè)電池組性能能測(cè)試系統(tǒng)的控制和通信的核心，主要完成充放電過程的監(jiān)視和控制、通訊中轉(zhuǎn)功能。根據(jù)用戶設(shè)定，控制放電裝置中各放電支路的通斷和斬波支路的放電電流，同時(shí)主站PLC通過RS485與斬波控制器的DSP控制器通信，通過DP總線與從站PLC、人機(jī)界面和底層設(shè)備通信，通過以太網(wǎng)與遠(yuǎn)程上位機(jī)通信。將充電裝置、放電裝置、監(jiān)控設(shè)備、檢測(cè)系統(tǒng)連接到一起，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。

4.2從站PLC

從站PLC通過DP總線與主站PLC相連，根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的指令和設(shè)定參數(shù)，按照一定的周期掃描充電系統(tǒng)狀態(tài)和參數(shù)，通過不斷調(diào)整變壓器輸出和整流橋相位角，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電過程的控制，同時(shí)將采集到的實(shí)時(shí)狀態(tài)和參數(shù)傳送給主站PLC，并通過主站PLC傳送給監(jiān)控系統(tǒng)。主站PLC根據(jù)從站PLC反饋回來(lái)的狀態(tài)和參數(shù)，向從站PLC不斷發(fā)送新的指令和參數(shù)，控制充電過程的運(yùn)行。

4.3斬波控制器

斬波控制器主要完成放電子系統(tǒng)中斬波支路的控制功能，根據(jù)主站PLC的指令和參數(shù)給定，輸出3路相位互差120°的PWM觸發(fā)脈沖，控制3個(gè)斬波單元實(shí)現(xiàn)斬波放電支路的電流調(diào)節(jié)，進(jìn)而配合其他固定電阻放電支路，實(shí)現(xiàn)放電過程的恒流控制。斬波控制器通過RS485與主站PLC通信，接收工作指令并上傳工作狀態(tài)。

4.4人機(jī)界面HMI

人機(jī)界面通過DP總線與主站PLC相連，主要實(shí)現(xiàn)充放電過程的本地監(jiān)視和控制，運(yùn)行狀態(tài)和充放電參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視，以及本地工作方式下的指令和參數(shù)給定。具體功能包括：實(shí)時(shí)狀態(tài)和參數(shù)監(jiān)視和報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄、充放電工藝的編輯和下載、故障處理和報(bào)警、手動(dòng)操作、用戶權(quán)限管理等。

人機(jī)界面監(jiān)控軟件采用西門子集成開發(fā)環(huán)境WinCC felxible 2005進(jìn)行開發(fā)，通過輸入/輸出域、按鈕、圖形化儀表等控件實(shí)現(xiàn)對(duì)充放電工藝過程的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制。監(jiān)控畫面切換和指令給定主要通過按鈕控件和控件事件腳本函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

4.5上位機(jī)

遠(yuǎn)程上位機(jī)通過以太網(wǎng)與主站PLC進(jìn)行通信，主要實(shí)現(xiàn)充放電過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控，具體功能包括：狀態(tài)和參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)視和報(bào)警、數(shù)據(jù)記錄、分析統(tǒng)計(jì)、趨勢(shì)圖和報(bào)表生成打印、故障處理和報(bào)警、充放電工藝編輯和控制、用戶權(quán)限管理等。

上位機(jī)監(jiān)控管理軟件采用西門子集成開發(fā)環(huán)境WinCC 6開發(fā)，通過與主站PLC的實(shí)時(shí)通信監(jiān)視和控制充放電過程，主要包括畫面子系統(tǒng)、報(bào)警子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄和分析子系統(tǒng)、趨勢(shì)和報(bào)表生成和打印子系統(tǒng)、用戶管理子系統(tǒng)等。

5結(jié)束語(yǔ)

本文以蓄電池組性能檢測(cè)系統(tǒng)為控制對(duì)象，采用最新的工業(yè)控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建全新的多層次工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。該控制網(wǎng)絡(luò)具有分層結(jié)構(gòu)，具有很好的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，很有推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]云利軍.網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)行為特性的研究[D]：[博士學(xué)位論文].天津：河北工業(yè)大學(xué)，2006

[2]廖常初 陳曉東編著.西門子人機(jī)界面——（觸摸屏）組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.5.